김동호 교수 연구팀, 친환경 자발광 QLED의 고효율 달성

안정성 증가에 대한 광물리적 메커니즘 규명

김동호 교수(화학과) 연구팀과 삼성전자 종합기술원 무기소재 Lab (장은주 펠로우 팀)에서 공동으로 진행하여 온 ‘안정적인 고효율 InP/ZnSe/ZnS 양자점 발광 다이오드’ 연구가 그 우수성과 중요성을 인정받아 세계에서 가장 저명하고 역사 깊은 학술지인 ‘Nature’ 지에 2019년 11월 27일자로 게재됐다.

2017년 삼성전자가 QLED 기술을 탑재한 TV 제품을 새롭게 선보인 이후 디스플레이 시장은 ‘프리미엄 TV 전쟁’에 돌입했다. 기존 디스플레이 시장을 주도하던 LG 전자의 OLED TV와 경쟁이 맞붙으면서 더욱 치열한 기술력 개발이 진행되고 있다. 작년에는 글로벌 TV 시장에서 삼성전자의 QLED TV가 선두를 기록하면서 초대형 프리미엄 TV 분야에서 유망한 차세대 디스플레이로 주목받고 있다.

QLED TV의 핵심 기술인 양자점 (QD) 기반 발광 다이오드 (LED) 는 높은 효율, 정확한 색 순도 그리고 비용 효율적 제작 과정으로 대면적 디스플레이로의 응용에 이상적으로 여겨진다. QD-LED를 상용화하기 위한 많은 노력으로 현재 빨강, 초록, 파란색 발광 QD-LED는 각각 20.5%, 21.0% 그리고 19.8%의 효율까지 달성됐지만, 무엇보다 독성 물질인 카드뮴 조성을 환경 친화적인 물질로 대체하는 것과 소자 구동 안정성의 개선이 필요한 상태이다.

환경 친화적 물질인 인화 인듐 (InP) 코어 기반 양자점 소자는 카드뮴 기반 물질에 비해 아직은 그 성능이 뒤처지는 상황이라 스스로 빛을 내는 환경 친화적 QD-LED 디스플레이는 아직 개발이 필요한 실정이다. 이에 본 공동연구팀은 고유한 기술력으로 균일한 InP 코어를 갖는 높은 대칭성의 코어/쉘 구조 양자점을 합성, 물질 발광 효율 100%를 달성했다.

본 연구를 통해 양자점의 구조에서 쉘의 두께와 양자점 형태의 대칭성에 따라 발광 효율과 소자의 안정성을 개선할 수 있음을 발견했고, 펨토초 시분해 분광학과 단일점 발광 분광학을 이용해 QD-LED 소자의 발광 효율과 안정성을 결정짓는 광물리적 현상과 그 원리를 양자점의 구조와 연관 지어 규명했다.

본 연구에서 최고 효율을 보이는 양자점은 양자 수율 100%, 발광 선폭 35 nm, 소자 EQE 21.4%, 밝기 100,000 cd/m2,수명 100만 시간 (100 cd/m2기준)으로 기존의 비독성 양자점 기반 소자에 비해 월등히 뛰어난 효율과 안정성을 달성했고 이는 카드뮴 기반 양자점의 최고치에 준하는 수준이다. 따라서 본 연구는 비독성 QD-LED 소자 개발로 차세대 친환경 자발광 QLED 디스플레이 기술에 새로운 지평을 열어줄 것으로 기대된다.